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Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011 Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard.

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1 Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011 Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard

2 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Sommario Breve introduzione – Il sistema de mesoni K e la violazione di CP – Decadimenti rari dei K nel Modello Standard e oltre Lesperimento NA62 – Il nuovo apparato sperimentale per la misura di BR( K + + – NA62 fase I: la misura di R K = Γ(K ± e ± ν) / Γ(K ± μ ± ν) Attività del gruppo di Perugia – Il RICH (Ring Imaging CHerenkov detector) di NA62 – Test su prototipi al CERN e a Perugia – Il read-out del RICH, contributo al trigger di NA62 _

3 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Mixing di quark nello SM Per i quark gli stati di massa non corrispondono agli autostati di sapore Matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) : Elementi diagonali non nulli Violazione del sapore (angolo di Cabibbo, GIM) Con 3 (o più) famiglie di quark: Violazione di CP nello SM Imponendo lunitarietà della matrice CKM: N f =2 N fasi = 0 No Violazione di CP N f =3 N fasi = 1 Violazione di CP possibile C= operatore carica, inverte la carica dello stato P= operatore parità, inverte le coordinate spaziali

4 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Violazione diretta di CP Lorigine della violazione di CP può essere imputata allinterazione debole nellambito del Modello Standard oppure si può introdurre una nuova interazione ad hoc (teoria superdebole) Uno dei sistemi ideali per studiare la violazione di CP è quello dei K neutri Definendo gli autostati di sapore come K 0 =sd e K 0 =ds, gli autostati di CP sono: Già nel 1964 evidenza sperimentale di violazione di CP, ridefinizione degli autostati di massa: Decade in 2 per conservare CP (vita media corta) Decade in 3 per conservare CP (vita media lunga) Nellambito del Modello Standard è prevista lesistenza della violazione diretta di CP, la componente a vita media lunga K 2 decade in 2 _ _ _

5 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia NA48 Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K ± 3 Misura delle lunghezze di scattering Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri Re( / ) = (14.7 ± 2.2) x Misura di parametri di Violazione di CP Decadimenti rari del K S, prima osservazione e misura del BR di K S 0 e + e - e K S NA48/1 NA48/2 NA48

6 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Decadimenti rari di K Le relazioni per lunitarietà della matrice CKM possono essere espresse in termini di triangoli nel piano complesso; a questo scopo conviene usare la parametrizazione di Wolfenstein: V us ~ V cb ~ V ub ~ i V td ~ i Ci sono sei relazioni da soddisfare per lunitarietà, e quindi sei triangoli, in particolare: V ud V * ub + V cd V * cb + V td V * tb = 0 CP V td V * tb V ud V * ub V cd V * cb Sensitive to |V td | K L π 0 μ + μ – t = V td V * ts Im t = 2 5 Re t = 2 5 Golden modes

7 Il decadimento K + + BR(K + + ) (1.6×10 -5 )|V cb | 4 [ 2 +( c - ) 2 ] (8.5 ± 0.7)× Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia _ Nel calcolo teorico del BR, le incertezze dovute allelemento di matrice adronico vengono inglobate in un termine già ben misurato - BR(K + 0 e ) - la restante parte dellerrore teorico deriva dai parametri della matrice CKM: Nellambito dello SM il processo è descritto con diagrammi a un loop definiti diagrammi a pinguino: Decadimento sensibile a nuova fisica oltre lo SM, si possono testare indirettamente scale fino a Λ~100 TeV (complementare rispetto a LHC); molte le teorie in cui è previsto un BR maggiore: Minimal Flavour Violation (MFV) Minimal Supersymmetric extension of SM (MSSM) Light Higgs Theory (LHT) _

8 Stato dellarte Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Due esperimenti a BNL (Brookhaven National Laboratory-USA) dal 1997 al 2004, 7 candidati identificati in totale (di cui 4 compatibili con il fondo): K + fermati su un bersaglio circondato dal rivelatore Accettanza molto bassa, ~ 0.1% BR(K + + ) = ( ) × Phys. Rev. Lett. 101 (2008) _ Compatibile con lo SM

9 Lesperimento NA62 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Collaborazione NA62 Bern ITP, Birmingham, Bristol, CERN, Dubna, Ferrara, Fairfax, Firenze, Frascati, Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain, Mainz, Merced, Napoli, Perugia, Pisa, Roma I, Roma II, San Luis Potosi, SLAC, Sofia, TRIUMF, Torino

10 Schema del rivelatore Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia ) Decadimenti di Kaoni in volo da un fascio non separato a 75 GeV/c, prodotto da un fascio di protoni a 400 GeV/c estratto dallSPS contro un bersaglio fisso di berillio (fascio a ~800 MHz, ~6% kaons) Le particelle non decadute viaggiano nel tubo a vuoto centrale Goal: misura di O(100) eventi in 2 anni di presa dati riducendo lerrore sistematico fino al livello di qualche %

11 Tecnica di misura Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Rispetto a un esperimento con decadimenti da K fermi: Vantaggi: Più facile rivelare fotoni da decadimenti di fondo Più facile avere fasci ad alta intensità Svantaggi: Rivelatore e regione di decadimento di grandi dimensioni Necessità di misurare limpulso di ogni K Fascio non separato di adroni BR SM =8x Segnale difficile da identificare e raro: BR SM =8x Potenzialmente alta contaminazione da altri decadimenti di K Punti chiave: 1.Reiezione cinematica 2.Veto 3.Trigger ad alte prestazioni 4.Identificazione delle particelle (PID)

12 Reiezione cinematica /I Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia La variabile fondamentale è la massa mancante, utilizzata per definire due regioni di segnale poco popolate dal fondo Estremamente importante avere buona risoluzione nella ricostruzione della massa mancante Necessario misurare sia limpulso del kaone che quello del pione scattering multiplo Ridurre il materiale (specialmente nella zona dello spettrometro magnetico) per minimizzare lo scattering multiplo 92% del fondo cinematicamente separabile dal segnale

13 Reiezione cinematica /II Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Misura dellimpulso in un fascio ad alta intensità 3 stazioni inserite in un sistema di dipoli Rivelatore sottile200 m di spessore per i pixel e 100 m per il chip del readout chip (<0.5% X/X 0 per stazione) Ottima risoluzione temporale per stringere le finestre di coincidenza con gli altri rivelatori risoluzione temporale minore di 200 ps raggiunta in test già effettuati Il Gigatracker: pixel, rate di 150 kHz per ogni singolo pixel nella zona centrale

14 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Reiezione cinematica /III Spettrometro magnetico funzionante in vuoto per ridurre lo scattering multiplo 4 camere con 4 viste (piani di tubi) (ridondanza) Magnete P tkick = 256 MeV/c Tubi a straws lunghi 2.1 m, fatti di mylar spesso 9.6 mm (<0.1% X/X 0 per vista) Foro centrale per far passare le particelle non decadute del fascio (raggio 6 cm) Prototipi già testati al CERN nel 2007 e nel 2010 (P )/P ~ 0.3% 0.007%*P (GeV/c) (P )/P ~ 0.3% 0.007%*P (GeV/c) (dX/dZ)/(dX/dZ)~ rad (dX/dZ)/(dX/dZ)~ rad

15 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Veto e PID 8% di decadimenti dei K (potenziale fondo) non è cinematicamente separabile dal segnale (+ code di risoluzione) La reiezione di questi decadimenti si basa esclusivamente sui sistemi di veto e sulla PID Richieste per il sitema di veto: Grandi angoli ( mrad): inefficenza <10 -4 Angoli intermedi (1-8.5 mrad): inefficienza <10 -5 Angoli piccoli (<1 mrad): inefficienza <10 -3 Richieste per la PID: Identificazione dei K nel fascio iniziale prima del loro decadimento Separazione : probabità di errore id ID minore di 10 -2

16 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Veto a largo angolo (LAV) 12 stazioni (ad anello) lungo la regione di decadimento (in vuoto) Piena copertura angolare fra 8.5 e 50 mrad I vetri-pimbo del calorimetro dellesperimento OPAL sono stati riutilizzati Piu di 2500 cristalli (canali) in totale Blocchi controllati e testati a Frascati: inefficienza < per positroni a 476 MeV risoluzione temporale di 700 ps 3 anelli già costruiti

17 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Fra 1.5 e 8 mrad viene riutilizzatto il vecchio calorimetro elettromagnetico a kripton liquido di NA48 Più di celle quasi omogenee (poco materiale passivo) 27 lunghezze di radiazione X 0 Ottima risoluzione nella misura dellenergia Ottima risoluzione temporale (200 ps) Read-out completamente nuovo con ADC a 14 bits 40 MHz Le prestazioni come rivelatore in veto sono state misurate con un presa dati dedicata ed un fascio di K a 75 GeV Veto ad angoli intermedi

18 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Veto a piccoli angoli Tre piccoli rivelatori fanno parte di questa categoria: CHANTI: Posizionato dopo lultima stazione del Gigatracker per rivelare particelle provenienti da interazioni del fascio nei collimatori e nel Gigatracker stesso IRC: Per rivelare i fotoni in prossimità del tubo a vuoto dove passano le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dellLKr SAC: Posizionato alla fine dellaria sperimentale, per rivelare i fotoni che passano attraverso il foro centrale dellLKr Per tutti e tre i rivelatori la ricerca e lo sviluppo sono in fase avanzata, alcuni prototipi sono già stati prodotti

19 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia PID dei K del fascio Scopo: Identificazione del Kaone nel fascio non separato per associarlo temporalmente ai prodotti di decadimento rivelati a valle. Questo permette di rilasciare le condizioni sullo scattering multiplo nel gas residuo presente nella zona di decadimento ( è sufficiente ottenere un vuoto a livello di mbar). Tecnica: Rivelatore Cherenkov differenziale (il radiatore e H 2 ) Riutilizzabile un vecchio rivelatore costruito al CERN negli anni 70 Nuovo readout (fotomoltiplicatori e elettronica di lettura) Nuovo sistema di specchi deflettori per diminuire il rate sul singolo canale in lettura

20 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia LKr MUV 1-2 MUV 3 Identificazione di Identificazione di Dopo il calorimetro elettromagnetico ci sono dei blocchi di ferro ai quali sopravvivono solo i MUV1-2: Identificano il muone e contribuiscono alla reizione di decadimenti con nelo stato finale (assieme al RICH) MUV3: Identificazione veloce dei a scopi di trigger, moduli di scintillatore con superficie 22x22 cm 2 letti da 2 PM Risoluzione temporale migliore di 1 ns gia raggiunta in test su fascio

21 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Trigger e acquisizione dati L0 L0: Trigger hardware, scelta basata su segnali veloci prodotti dai sistemi di lettura L1 L1: Trigger software basato sulle informazioni provenienti da singoli rivelatori (più dettagli, migliori risoluzioni) L2 L2: Trigger Software basato sui dati di tutti i rivelatori (informazioni correlate) PC L0 trigger Trigger primitives Data CDR O(KHz) EB GigaEth SWITCH PC L2L2 L1 RICHMUVCEDARLKRSTRAWSLAV L0TP L0 1 MHz 10 MHz PC

22 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia NA62: proiezioni 4.8·10 12 decadimenti per anno (ragionevole, circa 4 mesi di presa dati) flusso x50 rispetto a NA48 (con la stessa intensità di protoni dallSPS) reiezione 0 a livello di 2·10 8 Accettanza per il segnale O(10%) Assunzione: 100% efficienza di trigger

23 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia NA62 fase I R K e SUSY: Masiero, Paradisi, Petronzio (hep-ph/ PRD74,2006) violazioni supersimmetriche del sapore leptonico (SUSY LFV) possono modificare il valore di R k del 2-3 % R K SUSY = R K SM · (1+ R SUSY ) con | R SUSY | ~ 2-3% Test dellUniversalità Leptonica e dellaccoppiamento V-A Predizione accurata del Modello Standard: R K = = (2.477 ± 0.001) V. Cirigliano, I. Rosell (JHEP 0710, 2007, 005) Definizione di R K =Γ(K ± e ± ν) / Γ(K ± μ ± ν) Misura con parte dei dati raccolti nel 2007 ad hoc: Phys.Lett.B698: ,2011 In accordo con lo SM

24 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Il RICH di NA62 Per ridurre il fondo del decadimento K + + a livello del % rispetto al segnale e necessario un fattore di soppressione , fattore raggiungibile se oltre alla cinematica e al MUV (già visti) si utilizza un RICH (Ring Imaging Cherenkov detector). La costruzione e il funzionamento del RICH di NA62 sono sotto la responsabilità dei gruppi di Perugia (G. Anzivino, P. Cenci, E. Marinova, M. Pepe, R. Piandani, M. P.) Il RICH sarà determinante anche nella decisione del trigger di primo livello (hardware) per decidere se gli eventi saranno acquisiti (trigger di molteplicità). Inoltre misurerà il tempo di transito dei prodotti di decadimento carichi da associare ai K carichi tracciati nel Gigatracker e identificati nel CEDAR

25 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Principio di funzionamento Il RICH rivela i fotoni prodotti per effetto C. da particelle cariche che viaggiano in un mezzo a velocità maggiori della luce nel mezzo stesso. Langolo di emissione di tali fotoni rispetto alla direzione della particella può essere messo in relazione alla velocità della particella stessa. Il RICH permette di misurare langolo Cherenkov dei fotoni emessi e quindi la velocità della particella tramite la ricostruzione dellanello che si ottiene se si rivelano i fotoni nel piano focale di uno specchio sferico che li ha riflessi. Se si misura indipendentemente limpulso della particella (con uno spettrometro) si può risalire alla massa della particella e quindi identificarla.

26 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Mirror Mosaic 17 m focal length Beam Pipe 2 x ~1000 PMT Vessel: ~18 m long, ~3.7 m diameter BeamSchema Filled with Neon

27 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica (n-1) = 62.8 x10 -6 a =300 nm (bassa dispersione) basso peso atomico X 0 piccola riduzione dello scattering multiplo p 2 soglia = m 2 /(n 2 -1) = (12 GeV/c) 2 per Specchi: Forma esagonale inscritti in cerchio di diametro 70 cm 17 m di lunghezza focale, 18 specchi + 2 semi- esagonali al centro Fotomoltiplicatori: Hamamatsu R7400 U03 Collettori di luce: Coni di Winston 18 mm di diamentro Caratteristiche del RICH

28 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Prototipi del RICH 2 prototipi testati su fascio nel 2007 (RICH-100) e nel 2009 (RICH-400); utilizzato sempre lo stesso cilindro lungo ~18 m e di diametro ~60 cm riempito con Ne a 1 atm. Provati 2 specchi con f=17 m, d=50 cm, e spessore 2.5 cm Prototipo RICH-100: 96 PM Hamamatsu R7400 U03/U06 Misura risoluzione temporale e scelta PM Prototipo RICH-400: 414 PMT Hamamatsu R7400 U03 Misura della separazione

29 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Risultati del test 2009 Illuminazione GeV Il 15 (35) GeV/c in realtà è un 20 (46.2) GeV/c GeV Raggio anello Fattore di soppressione integrato per : ~0.7% Risoluzione temporale

30 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Attività recenti sul RICH I test del 2007 e del 2009 hanno evidenziato che le prestazioni necessarie per il RICH di NA62 sono raggiungibili e che la tecnica di costruzione è adeguata allo scopo e fattibile. Nucl. Instrum. Meth. A 621 (2010) 205. Nucl. Instrum. Meth. A 593 (2008) 314. Attualmente, per quanto riguarda il gruppo di Perugia, il lavoro prosegue sui seguenti argomenti: Analisi di parte dei dati del test del Effetti di contaminazione del Neon - Riflettività dei coni di Winston Completamento e ottimizzazione del Monte-Carlo di NA62 - Librerie per la simulazione veloce del RICH - Simulazione completa del LKr Studi sul funzionamento dei fotomoltiplicatori immersi nel Neon Implementazione del Read-out del RICH e della parte di Trigger basata sul RICH Test e caratterizzazione dei fotomoltiplicatori

31 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia PM immersi nel Neon Configurazione base: La finestra di quarzo (incollata alla flangia) garantisce la separazione fra il Ne nel cilindro e laria nella zona dei PM. Tuttavia la presenza della finestra introduce due riflessioni parziali, riducendo di circa il 10% il numero di fotoni che raggiungono i PM. Nuova configurazione: I PM sono immersi nel Neon, la separazione fra Ne e aria è garantita da un feed-through che garantisce anche la connessione elettrica fra partitore e PM. Da provare: Tenuta Assenza di scarica (200V fra 2 mm in Ne)

32 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Il separatore Essenziale il contributo dellofficina meccanica e del laboratorio di elettronica per la preparazione e la realizzazione dei componenti utilizzati nelle verifiche in laboratorio Durante i test di tenuta preziosa la collaborazione del Prof. Sacchetti

33 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN PerugiaRisultati La realizzazione di un separatore che garantisca la purezza del Ne è possibile. Tuttavia con i PM immersi nel Neon sono state misurate scariche già a 700 V (punto di lavoro a 900 V). Lasciando contaminare il Neon dallaria le scariche iniziano già a partire da 500 V.

34 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia La catena di readout Nel nostro laboratorio abbiamo implementato (in scala, 24 canali rispetto ai 2000 finali) lintera catena di read-out del RICH Camera contenimento del laser Flangia PM Distributore HV Preamplificatori Discriminatori Generatore del clock PC di acquisizione TDC Scheda gestione dati HV

35 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Risoluzione temporale PM Il sistema permette di verificare le risoluzioni temporali e le efficienze dei 2000 fotomoltiplicatori che saranno utilizzati nel RICH

36 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN PerugiaTELL1/TEL62 Carte con TDC FPGA (Field programmable Gate Array) Per la gestione dei dati provenienti dai TDC E il cuore del sistema di lettura e di trigger CPU (linux SLC4) 4 porte Gb FPGA per la gestione dati

37 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Tell1 sviluppata per LHCb Nucl Instrum Meth A 560 (2006) 494. Tel62 nuova versione per NA62: + unità logiche nelle FPGA (a parità di connessioni) memorie DDR2 per la scrittura temporanea dei dati più capientiTEL62 Oltre a gestire la ricezione dei tempi misurati dai TDC, provvede al riordino e allimpacchettamento dei dati e alla loro spedizione ai PC di acquisizione attraverso le porte Gbit ethernet. Nelle FPGA saranno implementati algoritmi di selezione veloci che contribuiranno al trigger di livello 0 (L0) dellintero esperimento

38 Perugia, 30 Marzo Mauro Piccini – INFN Perugia Work in progress!


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